(57)【要約】【課題】小型で、液体が持つエネルギーを効率よく回収するための、小水力発電用クロスフロー水車を提供する【解決手段】液体流入管及び液体流出管を一直線上に配設し、上方から下方へ下る水路上に設置できるようにする。水車室を水車外形寸法と略同容積とし、流入する液体を受け入れる水車室受水部を設ける。液体流入管と水車室受水部の間に流路仕切板を介設する。この構造の水車を複数台収容可能な筺体を用い、上流側から奇数台目の水車と偶数台目の水車の回転方向を逆転させる。全ての水車の回転動力を１つの電力伝達装置に集約し、使用する発電機を１台とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筺体外に延長し動力伝達装置を設けた水車回転軸を中心に回動可能な水車と、前記水車と略同寸法かつ同容積の水車室と、水車室の側面に互いに開口部面積が等しくかつその中心同士を結ぶ仮想線分が水車の直径と重なる位置に対向して配設される筒状の液体流入管と、筒状の液体流出管と、前記水車室と前記液体流入口の接続部である液体流入口から回転方向に向かって前記水車室の円周部を拡大した空間として設けられる水車室受水部と、前記液体流入口の断面積の１／２以上を閉塞し且つ前記水車回転軸よりも逆回転方向の半面を確実に閉塞するように前記液体流入口に交換可能に設けた流路仕切板と、で構成される垂直流路型クロスフロー水車であって、前記水車を複数台直列に収めることが可能で且つ隣接する２つの水車の上流側水車の液体流出管と下流側水車の液体流入管とを共有する筺体を持ち、上流側より偶数台目に設けられた前記水車は、傾きが上流側より奇数台目に設けられた前記水車と逆向きの水車羽根を持ち、且つ上流側より偶数台目に設けられた前記流路仕切板は、上流側より奇数台目に設けられた前記流路仕切板と、前記液体流入管の中心軸及び水車回転軸の中心軸を含む面に対して面対称の位置及び方向に設けられると同時に、前記水車室及び前記水車室受水部の構造も、上流側より奇数台目に設けられた前記水車室及び前記水車室受水部の構造と、前記液体流入管の中心軸及び水車回転軸の中心軸を含む面に対して面対称の構造とし、更に内部に収める水車の数を変更することにより水車の使用台数を変更し、エネルギー回収効率を可変とすることを特徴とする、垂直流路型クロスフロー水車
【請求項２】
請求項１に記載の垂直流路型クロスフロー水車であって、更に、前記動力伝達装置の回転力を何れか１つの動力伝達装置に集約することで、使用する発電機の台数を１台とすることが可能であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直流路型クロスフロー水車
【請求項３】
請求項１乃至請求項２に記載の垂直流路型クロスフロー水車であって、前記動力伝達装置として、それぞれ同径かつ歯数が同一である歯車を使用し、隣接する水車の水車回転軸に設けられた歯車同士がかみ合うよう設けたものであることを特徴とする、請求項１乃至請求項２に記載の垂直流路型クロスフロー水車
【請求項４】
請求項１に記載の垂直流路型クロスフロー水車であって、前記動力伝達装置として滑車を用い、隣接する滑車同士を連結するベルトを８の字状に交差させることを特徴とする、請求項１乃至請求項２に記載の垂直流路型クロスフロー水車
【請求項５】
請求項１に記載の垂直流路型クロスフロー水車であって、前記動力伝達装置として歯付き滑車を用い、隣接する滑車同士を連結する歯付きベルトを８の字状に交差させることを特徴とする、請求項１乃至請求項２に記載の垂直流路型クロスフロー水車
【請求項６】
請求項１に記載の垂直流路型クロスフロー水車であって、前記動力伝達装置として鎖車を用い、隣接する鎖車同士を連結する鎖を８の字状に交差させることを特徴とする、請求項１乃至請求項２に記載の垂直流路型クロスフロー水車
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、小水力発電に利用されるクロスフロー水車に関する。
【背景技術】
【０００２】  発電所の相次ぐ運転停止による電力供給能力の不足や、火力発電所の燃料節減に対する意識の高まり、また、発電電力の固定価格買い取り制度開始による電力料金の上昇などに伴い、電力需要家に近接した場所における発電に関心が集まっている。例えば、太陽光発電、風力発電、小水力発電などの再生可能エネルギーを利用するものである。都市部では大型の発電施設を設置できる空間も少ないため、省スペース化も課題となる。【０００３】  特に小水力発電としては、河川や用水路などを利用したものが良く知られており、主にプロペラ水車や開放周流形水車、ペルトン水車などの水車を、筺体を用いずに設置して、垂直よりも水平方向に近い傾きで流通する水を利用するものが一般的である。これらの技術はマスコミ等でも取り上げられており、一般市民にも広がり始めている知識である。然しながら、埋め立てられたり暗渠化したりして、地表に現れている河川の少ない都市部では活用しにくく、大きく電力を消費する地域において自ら電力を生み出す能力が低いと考えられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  そこで本発明では、設置空間の省スペース化の問題を解決し、且つ液体が持つエネルギーを効率よく回収することが可能な小水力発電用の水車を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  プールや浴場等の入浴施設水の浄化用、雨水のろ過中水利用、大型ビル内の空調用、その他の用途で、建築物内に液体の配管が設置されていることが多いため、都市部ではこれらを河川の代用とし、小水力発電を行うことができる。配管の中でも特に、上方から下方へ液体が流通する配管を利用し、流通する液体が持つ位置エネルギーや運動エネルギーを電力へ変換する。配管の傾きは、略垂直である部分を利用する場合が、液体が持つエネルギーを有効利用できるため理想的であるが、それ以外の角度でも良い。これらの建築物は都市以外の地域でもみられるため、河川や用水路等の利用が難しい地域に利用したり、発電電力量の補助的に利用したり、又は売電のために用いたりすることができる。また、河川水や用水利用のために配管を利用して取水し、河底よりも下方の地下等へ配管を設置している場合は、その配管の角度が垂直に近い部分に設置することでも利用可能である。【０００５】  建築物内の配管は、通常狭い空間に設けられているため、水車も小型にする必要がある。また、建築物内であるため液体を外部に漏らさないための筺体が必要であること、配管が垂直方向よりも水平方向に近づくほど内部を流通する液体がもつエネルギーを損失するため可能な限り垂直に液体を流通させる必要があること、配管内という限られた量の液体を利用するため、エネルギーの回収効率を上げる必要があること。これらを満たすための水車は、内部を流通する液体が水車の流入口と流出口の２回水車羽根に衝突しエネルギーを与えることが可能な、クロスフロー水車を用いることとする。河川水や用水を利用する場合も、利用場所まで液体を漏洩してはならないので、同じく小型の筺体が必要となる。【０００６】  通常用いられるクロスフロー水車は、水車の円周部に沿うように液体流入管が設けられ、前記液体流入管と略直角方向に液体流出管が設けられている。本発明では、前記液体流入管及び前記液体流出管を水車の直径と一致する方向に設けることとし、前記液体流入管と前期液体流出管が同一直線上に配置されるよう水車室の側面円周部に配設する。即ち、垂直流路型クロスフロー水車となる。前記水車室も、内部を流通する液体の全量が水車に衝突するよう、略水車と同形とする。但し、同容積であると、水車内に流入しようとする液体を受け入れきれず滞留や逆流の原因となり、元の設備の動作に影響するため、前記液体流入管と前記水車室の接続部である液体流入口から水車の回転方向に向かって水車室の円周を拡張し、液体の受け入れ空間である水車室受水部を設ける。この構造にすることで、筺体の寸法を抑えられると同時に、液体が持つ位置エネルギーを効率よく水車羽根に作用させることができる。【０００７】  前記液体流入口の全面から液体が流入すると水車を逆回転させる方向の力も加わり効率が落ちる。このため、水車軸よりも逆回転方向の液体流入口を流路仕切板で閉塞する。前記流路仕切板は、液体が水車へ流入する流路を狭めて流速を速める効果も持つ。流速が増すと水車を回転させる力が高まるが、狭めすぎると液体の滞留や逆流の原因となるため、前記流路仕切板は、差し込み式やねじ止め式等の交換可能な構造とし、最も水車の発電効率が高くなるよう閉塞面積���調節可能とする。いずれの場合でも、前記液体流入口の、水車回転軸よりも逆回転方向の半面を閉塞することにはなるため、この部分を筺体と一体として成形し、調節部分のみ交換可能な構造としても良い。【０００８】  段落番号０００６乃至段落番号０００７で述べた垂直流路型クロスフロー水車を１台使用してエネルギーを電力に変換するより、複数台を直列に設けた方が、上流側の水車で取り切れなかったエネルギーを回収できるため、より多くの電力を得ることができる。配管の距離が長い場合は、複数直列に配置することが可能である。このため、予め複数台の水車を収容可能な筺体を用意しておき、液体の流量や流速に合わせて実際に使用する台数分の水車を収めて製作する。このことで、設置場所での工事も簡略化されるため、設置場所における工期の短縮も可能である。【０００９】  水車を回転させる際、内部を流通する液体には水車回転方向の慣性力が働いている。即ち、前記液体流出管と前記水車室の接続部である液体流出口における液体の自然な流通方向は、前記液体流入口における閉塞面の方向である。このとき、上流側の水車と同方向に下流側の水車を回転させようとすると、一旦流通した方向から逆方向へ液体の流通方向を変換する必要があり、液体の持つエネルギーを損失することとなる。このため、下流側の水車は上流側の水車と水平方向に反転した構造とする。水車室の構造及び流路仕切板の設置位置及び方向も同様である。即ち、奇数台目の水車と偶数台目の水車は、前記液体流入管の中心軸及び水車回転軸の中心軸を含む面に対し面対称の構造とする。【００１０】  複数の水車を用いて発電を行う方法として、各水車に発電機を接続し、前記複数の発電機の発電電力を配線で合流させる方法が考えられる。然し、設置スペースが多く必要となること、配管途中に設けるため床面に置設できず架台が必要であること、前記発電機の台数分の導入コストが必要であることが問題である。そこで、各水車の回転力を１つの動力伝達装置に集約し、その回転力を１台の発電機に伝達することとする。前記動力伝達装置は、歯車（ギア）を用いるものや、滑車（プーリ）とベルトの組み合わせを用いるもの、歯付き滑車（タイミングプーリ）と歯付きベルト（タイミングベルト）の組み合わせを用いるもの、鎖車（スプロケット）と鎖（チェーン）の組み合わせを用いるものが考えられる。
【発明の効果】
【００１１】  本発明を実施すると、これまで小水力発電を行うことが難しかった地域でも発電が可能となる。また、建築物に設ける場合は、前記建築物の所有者自身が欲すれば、水利権の取得にかかる煩雑な手続きなくして小水力発電を行うことが可能である。更に、全ての水車の回転動力を１つに集約し、使用する発電機を１台とすることで、導入にかかるコストと設置スペースを抑え、且つ、本発明と発電機間の増速に掛る部品点数を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】  図１は、本発明の要部断面図である。
【図２】  図２は、本発明の水車を３台収容可能な筺体の正面図である。
【図３】  図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】  図４は、各水車の動力連結を水車に直結した歯車のみによって行い、上流から奇数番目と偶数番目の水車の回転方向が逆転している場合の右側面図である。
【図５】  図５は、各水車の動力連結を滑車又は歯付き滑車又は鎖車によって行い、ベルト又は歯付きベルト又は鎖を８の字状に掛け、上流から奇数台目と偶数台目の水車の回転方向が逆転している場合の右側面図である。
【図６】  図６は、図４及び図５のＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】  以下、本発明の実施形態を図面とともに説明する。本発明では、筺体内に水車を収めることが可能な台数や、前記筺体内部に実際に収める水車の台数を限定していないが、説明と図面の簡略化のため、水車を３台収めることが可能な筺体に水車を３台収めたものを例として挙げる。
【実施例】
【００１４】  図１は、本発明の要部断面図である。また、図２は、本発明の水車を３台収容可能な筺体の正面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。この３図で水車１台の構造を説明する。【００１５】  符号１０の水車は、円盤状で２枚１組の符号１１の水車側板と、前記水車側板に挟まれ円周部分に設けられた符号１２の水車羽根と、水車を筺体に回動可能に取り付けるため符号１１の水車側板の中心に設けた符号１３の水車回転軸とで構成される。符号１３の水車回転軸は、符号２０の筺体外へと延伸し、前記水車回転軸の筺体外に露出した部分に動力伝達装置を設ける。前記筺体内に符号１０の水車を収めるため符号２１の水車室を設けるが、前記水車を効率よく回転させるため、前記水車室は略前記水車と同型とし、流入する液体の全量が水車内を流通する構造にする。また、符号２１の水車室へ流入する液体の流入管と前記水車室から流出する液体の流出管は、同一直線状に配設し、液体の持つエネルギーを効率良く水車へ伝達する必要がある。このため、水車室の対向する位置に配設された、符号３１の液体流入口と同径の符号３２の液体流入管と、符号３３の液体流出口と同径の符号３４の液体流出管との、それぞれの中心線を延長すると一致し、水車の直径と重なるよう、前記液体流入管と前記液体流出管を設ける必要がある。その一致した中心線を仮想線として表したものが、符号３０の液体流入管及び液体流出管の中心線である。【００１６】  段落番号００１５の構造では、符号３１の液体流入口全体から液体が流入するため、符号１０の水車が逆回転する方向にも力が加わってしまい、水車効率が著しく落ちる。そこで、符号４０の流路仕切板を用いて、前記水車が逆回転する方向へ液体が流入しない構造とする。前記流路仕切板によって前記液体流入口は狭められ、流速を増して符号１０の水車内へ流入するため、より液体の持つエネルギーが上昇する。また、符号４１の流路仕切板交換例のように、前記流路仕切板を交換可能としておけば、液体流入口の幅を可変とでき、設置する設備に対して最も効率良く且つ元の設備への影響を最も小さく調節可能である。符号４２で表される部分が、狭められた液体流入口である。図３で確認すると、前記液体流入口の、逆回転方向の半面乃至それ以上が、前記流路仕切板によって覆われていることが分かる。液体流入口が狭められた分、水車内へ流入する液体にかかる抵抗も増えるため、符号２１の水車室の、液体流入口より回転方向に向かって、符号２２の水車室受水部を設ける必要がある。これは、前記水車室の円周部を半径方向に拡大した空間として設ける。【００１７】  図４は、各水車の動力連結を水車に直結した歯車のみによって行い、上流から奇数番目と偶数番目の水車の回転方向が逆転している場合の右側面図である。また、図５は、各水車の動力連結を滑車又は歯付き滑車又は鎖車によって行い、ベルト又は歯付きベルト又は鎖を８の字状に掛け、上流から奇数台目と偶数台目の水車の回転方向が逆転している場合の右側面図であり、図６は、図４及び図５のＢ−Ｂ断面図である。図２及び図４乃至図６で、複数の水車を直列一体とした構造を説明する。【００１８】  複数の筺体を直列一体とする場合、下流側の筺体の符号３２��液体流入管と、上流側の筺体の符号３４の液体流出管とを、符号３５の液体流出管兼液体流入管として成形する。また、最も上流側の液体流入口及び最も下流側の液体流出口には、前後の配管と接続を容易にするため、符号２３の配管接続用顎部を設ける。筺体を樹脂製とし、接着にて配管に接続する方法もあるが、メンテナンス性を考慮すると、前後の配管にも顎部を設け、ボルトとナットを用いて固定する方法が、必要な時に筺体を配管から外すことができるため良い。更に、配管側で分岐により本発明を回避する配管を成し切替弁等で流路を切り替え可能にしておけば、元の設備への影響なくメンテナンスを行うことができる。【００１９】  本発明では全ての水車の回転動力を１つに集約し、集約された回転動力を外部に設けた１台の発電機に伝達するため、符号５０や符号６０のような動力伝達装置を用いる。符号５０の動力伝達装置は、水車の台数と同じ枚数だけ、符号５１の歯車を用いるものである。前記歯車は、符号１３の水車回転軸により回転し、更に、隣接する歯車同士がかみ合うよう設けられる。隣接する歯車同士は逆回転するため、間に動力伝達装置や他の歯車を介さなくても交互に逆回転させることができる。図示していないが、いずれかの歯車に外部へ動力を伝達するための歯車をかみ合わせ、発電機へ動力を伝達する。また、符号６０の動力伝達装置は、隣接する水車同士の、符号６１の円盤状動力伝達装置を、符号６２の交差させた動力連結装置を用いて連結する。前記動力連結装置を８の字状に交差させることで、隣接する前記円盤状動力伝達装置を互いに逆回転させることが可能となる。前記円盤状動力伝達装置は、符号１３の水車回転軸により回転する。各円盤状動力伝達装置同士は２台の連結までしかできないため、最も上流の水車及び最も下流の水車以外の水車に連結された前記円盤状動力伝達装置は、１本の前記水車回転軸に対して２枚設けられる。また、最も上流の水車又は最も下流の水車のいずれかは、符号６３の外部接続動力伝達装置によって発電機へと動力を伝達するため、最も上流の水車又は最も下流の水車のいずれかの前記水車回転軸に設けられる前記円盤状動力伝達装置は、１本の水車回転軸に対して２枚設けられる。図５では、最も下流の水車から外部へと動力が伝達される。最も上流の水車及び最も下流の水車以外の水車から外部へ動力を伝達させることも可能であるが、１本の水車回転軸に対して前記円盤状動力伝達装置が３枚必要となるため、水車全体の寸法が水車回転軸方向に大きくなるため、本発明の課題の１つである省スペース化に反する。【００２０】  符号６１の円盤状動力伝達装置と符号６２の交差させた動力連結装置には多くの組み合わせが考えられる。前者が滑車、後者がベルトのもの。前者が歯付き滑車、後者が歯付きベルトのもの。前者が鎖車、後者が鎖のもの。等である。いずれの場合も隣接する前記円盤状動力伝達装置、更に言えば、符号１３の水車回転軸により前記円盤状動力伝達装置と連結された水車のうち隣接するもの同士が逆回転可能であれば、利用可能である。この時の水車内部の構造は、図６の、図４及び図５のＢ−Ｂ断面図によって表される。上流側から２台目の水車の、水車羽根の傾きや流路仕切板の取付位置、水車���受水部が設けられている位置が、他の２台のものとは異なり、液体流入管の中心軸及び水車回転軸の中心軸を含む面に対し面対称の構造となっており、逆回転する構造であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】  本発明は、液体流通用配管であれば容易に設置可能である。例えば、建築物内に設けられた循環、浄化、空調などを目的としたものや、雨水ろ過による中水利用を目的としたもの、又は、河川や用水から河底より低い位置へ配管で取水する施設にも利用可能である。
【符号の説明】
【００２２】１０  水車
１１  水車側板
１２  水車羽根
１３  水車回転軸
２０  筺体
２１  水車室
２２  水車室受水部
２３  配管接続用顎部
３０  液体流入管及び液体流出管の中心線
３１  液体流入口
３２  液体流入管
３３  液体流出口
３４  液体流出管
３５  液体流出管兼液体流入管
４０  流路仕切板
４１  流路仕切板交換例
４２  狭められた液体流入口
５０  動力伝達装置
５１  歯車
６０  動力伝達装置
６１  円盤状動力伝達装置
６２  交差させた動力連結装置
６３  外部接続動力伝達装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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